Jedinečné vlastnosti kovového titánu: hustota a teplota topenia

História objavovania kovu

Všetko začalo v roku 1791, kedy nezávisle od seba William Gregor (Anglicko) a MG Klapret (Nemecko) získal oxid titaničitý, ale nemohli od nej oddeliť čistú látku. Mineralogista a v kombinácii dedinský kňaz Gregor študoval čierny železný piesok nachádzajúci sa v blízkosti svojej farnosti. Výsledkom bolo extrakcia titánovej zlúčeniny - brilantné zrná, ktoré s menom "menakin" (z minerálneho menakanitu) zvečnili pôvodné miesta Angličana.

Približne v tom istom čase chemik Klapret, ktorý študoval červené piesky privedené z Maďarska, našiel novú látku v minerále rutilu a nazval ju "titán". A o niekoľko rokov neskôr dokázal, že rutil a menakénska pôda sú identické zložky. V roku 1825 dostal švédsky chemik Berzelius prvú vzorka kovového titanu, ale to neumožňovalo pokrok v štúdiu vlastností, pretože nečistoty spôsobili, že vzorka bola krehká a nevhodná na obrábanie.

Iba v roku 1925 dostali holandskí chemici van Arkel a de Boer pomocou tepelného rozkladu jodidu titánu, ktorý nebol široko používaný, látku s čistotou 99,9%. Takýto kov bol plastový, mohol byť valcovaný do listov, drôtu a fólie. To nám umožnilo začať štúdium fyzikálnych a chemických vlastností v plnom rozsahu, upriamiť pozornosť inžinierov a staviteľov a načrtnúť rozsah použitia. A už v roku 1940 sa uskutočnil proces Croll na obnovu chloridu horečnatého s titánom, ktorý sa doteraz používal.

Teórie o pôvode názvu

Existujú dve teórie o pôvode názvu:

• Prvý, s dôrazom na základné vlastnosti titánu kov - ľahkosť a pevnosť, je spojená s názvom charakteru nemeckej legendy - elfská kráľovná Titania.
• Ďalšia teória sa vzťahuje na starovekú gréckú mytológiu, kde sa tíni nazývajú mocní bratia - božstvá druhej generácie, deti bohov Urán a Gaia. Ozveny sa vysielajú v mene elementu uránu.

Nájdenie titánu v prírode

Titan má čestné štvrté miesto obsahom zemskej kôry medzi kovmi, ktoré sú dôležité pre človeka, druhým len železom, horčíkom a hliníkom. Jeho maximálne množstvo je koncentrované v dolnej čadičovej vrstve, o niečo menej v žulovej vrstve. Vzhľadom na vysokú chemickú aktivitu nie je možné nájsť titán v jeho čistej forme. Najbežnejšie sú štvornásobné oxidy, ktoré sú sústredené v rudách kôry počasia a v mori.

Dnes je až 75 titánových minerálov a vedci pravidelne hlásajú objav nových foriem a zlúčenín. Pri priemyselnom spracovaní sú najdôležitejšie:

• Ilmenit.
• Leukoxen (produkt zmeny ilmenitu).
• Rutil.
• Titanit (sféna).
• Perovskia.
• Anatas.
• Titanomagnetite.
• Brooke.

Titan - slabý migrant, môže byť prepravovaný len vo forme mechanických nečistôt z kameňa alebo skaly pri pohybe koloidnej silty vrstvy nádrží. Pre typický obsah maximálne biosféry množstvo tohto kovu v rias, je zistené u zvierat v vlny a nadržané tkanivá v ľudskom tele, je prítomná v štítnej žľaze, slezine, nadobličkách a placenty.

Vklady vesmírneho materiálu

Najbežnejšie sú ložiská ilmenitu, sú to asi 800 miliónov ton. Zásoby rutilových rúd sú oveľa menšie, ale s rastom výroby môžu všetci poskytnúť ľudstvo ďalších 100 rokov. Podľa rezerv titánu je Rusko druhým len do Číny a má 20 skúmaných ložísk. Väčšina z nich je zložitá, kde produkujú aj železo, fosfor, vanád a zirkón. Dnes je najväčším svetovým výrobcom titán je ruská metalurgická spoločnosť VSMPO-AVISMA.

Rozsiahle ložiská sa nachádzajú v Južnej Afrike, na Ukrajine, v Kanade, USA, Brazílii, Austrálii, Švédsku, Nórsku, Egypte, Kazachstane, Indii a Južnej Kórei. Odlišujú sa v obsahu kovu v rudách a objemoch ťažby, geologický prieskum sa nezastaví. Dokonca aj na Mesiaci boli nájdené rezervy rud obsahujúcich titán, niektoré z nich boli desiatok krát väčšie ako veľké ložiská Zeme. To nám umožňuje dúfať v zníženie trhovej ceny kovu a rozširovaní rozsahu použitia.

Fyzikálne vlastnosti prvku

Titán - chemický prvok periodickej tabuľky Mendelejeva, je v štvrtej skupine štvrtého obdobia. Má atómové číslo 22, molárna hmotnosť 47,867, je označené symbolom Ti a vykazuje oxidačné stavy od 2 do 4, jeho štvormocné zlúčeniny sú najstabilnejšie. Pri normálnom tlaku je teplota topenia titánu 1670 ± 2 ° C, vzťahuje sa na farebné žiaruvzdorné kovy a podobá sa vzhľadu ocele.

Tvrdosť, ťažnosť a medza pevnosti - dôležité parametre pre každý kov, ktoré určujú rozsah použitia. Titán je 12-krát silnejší ako hliník, 4-krát meď a železo. A je oveľa ľahší ako všetky (hustota titánu je iba 4,54 g / cm3) a je voľne spracovaná zváraním, razením, kovaním a valcovaním. Medzi dôležité vlastnosti patrí nízka tepelná vodivosť a elektrická vodivosť, ktoré zostávajú nezmenené aj pri vysokých teplotách.

Titan ukazuje paramagnetické vlastnosti: nie je magnetizované v magnetickom poli, ako je nikel a železo, a sa nevysunie, ako striebro a zlato. Jeho nízke antifrikčné vlastnosti sú dôsledkom dodržiavania mnohých materiálov. Jedinečný výkon odolnosť proti korózii a odolnosť voči mechanickému namáhaniu: titánové doštičky, desať rokov ležali na dne mora, nebude podstúpi zmeny vo vzhľade a zložení, a železo v priebehu tejto doby sa úplne rozloží.

Chemické vlastnosti

Vysoká odolnosť proti korózii je spôsobená tým, že za normálnych podmienok je na povrchu kovu prítomný oxidový film. Avšak vo forme prášku, jemných hoblín alebo drôtov je schopný samovznietiť a explodovať. Titán je odolný proti vodným roztokom chlóru a mnohým zriedeným zásadám a kyselinám, s výnimkou fluorovodíka, ortofosforečnej a sírovej. Zváranie a tavenie sa uskutočňuje vo vákuu, pretože keď aj mierneho zahrievania je znázornený jeden z hlavných vlastností titánu - aktívna absorpcia okolitých atmosférických plynov.

Reakcia s vodíkom, ktorá začína pri 60 ° C, je reverzibilná, výsledné hydridy sa rozkladajú po zahriatí. Vo vzduchu pri 1200 ° C titán svieti s jasným bielym plameňom a len je schopný spáliť v atmosfére dusíka pri teplote nad 400 ° C pri tvorbe nitridov. Na interakciu s halogénmi sú nevyhnutnými podmienkami neprítomnosť vlhkosti a prítomnosť katalyzátora - vysokej teploty. Reakcia s uhlíkom vytvára superhrdlý karbid. Pri väčšine kovov tvorí titán vysoko pevnostné zliatiny a odolné voči teplu a intermetalické zlúčeniny, ktoré sa často používajú ako dôležitá legujúca zložka.

Spôsob výroby surovín

Východiskovým materiálom je oxid titaničitý, ktorý obsahuje malé vonkajšie nečistoty. To si vyžaduje rutilový koncentrát získaný obohatením rudy. Jeho svetové rezervy sú však malé a často sa používa titánová troska (syntetický rutil), ktorá sa získava tepelným spracovaním - obohatením ilmenitových koncentrátov v elektrickej oblúkovej peci. Výsledkom je, že železo je železo sa zhromažďuje na dne špeciálnych kúpeľov, a zostáva šedý prášok - troska obsahujúci oxid titaničitý. Je to krajina, v zmesi s uhlím, a briketovania chlórované v peci, kde sa pri teplote 800 ° C v prítomnosti chloridu uhličitého sa tvoria dvojicu titánu.

Potom sa vyčistia av špeciálnych reaktoroch sa redukuje horčíkom pri 950 ° C. Na stenách sa vytvorí hrotová porézna hmota, titánová špongia, ktorá sa kalcinuje vo vákuu na oddelenie od zlúčenín horčíka. Na výrobu ingotov z titánu použite tavenie získanej huby vo vákuových oblúkových peciach. Toto zabraňuje oxidácii kovu a podporuje konečné uvoľňovanie nečistôt. Hotové ingoty s čistotou do 99,7% sa používajú na spracovanie pod tlakom (valcovanie, razenie, kovanie).

Hlavné aplikácie

Je ťažké popísať všetky oblasti života, kde je miesto pre titán, ale medzi hlavnými oblasťami je možné poznamenať:

• Hlavnými spotrebiteľmi sú letecký a raketový priemysel. Vysoký bod tavenia a ľahkosť sú neoceniteľné výhody titánu, keď sa používa ako "lietajúci" konštrukčný materiál. Napríklad pre lietadlá sú to krídla a ramená, otočné krídla, potrubia a rámy. Je hlboko symbolické, že v roku 1980 bola v Moskve postavená pomník Júla A. Gagarina z tohto kozmického kovu.
• Stavba lodí vyžaduje aj materiály odolné voči svetlu a korózii. Na konci sedemdesiatych rokov dvadsiateho storočia takmer celá ročná produkcia titánu v Sovietskom zväze smerovala k vytvoreniu jadrovej ponorky, kde slúžil ako hlavný stavebný materiál. Výsledkom bolo zníženie jednej tretiny hmotnosti ponorky, jej paramagnetizmu, maximálnych hodnôt hĺbky ponorenia a rýchlosti pod vodou.
• Titanové platne sa používajú v nepriestrelných vestách. Hmotnosť ľahko neprípustnej vetvy je 4 kg, ťažká hmotnosť - 10,5 kg. Dokonca aj jeden taký pás s hrúbkou iba 5 mm spoľahlivo chráni proti strelcom pištole a puške.
• Metal je nevyhnutný pre potreby chemického priemyslu s ohľadom na odolnosť proti korózii vo väčšine agresívnych prostrediach a pri vysokých teplotách: zariadenia a potrubia, zásobníkov a destilácie, filtrov a ventilov.
• Na získanie tvrdosti a tepelnej odolnosti ocelí sa používa ako prísada z legovania.
• Zliatiny titánu slúžia na výrobu brúsnych a chirurgických nástrojov, šperkov. Kov nie je odmietnutý ľudským telom, takže sa používa v medicíne na vytvorenie implantátov.
• Od staroveku boli budovy v európskych mestách pokryté plechmi zinku. V dvadsiatom storočí, šetrné k životnému prostrediu a trvanlivé zinku a titánu bol vytvorený pre tieto účely. Jeho výborná plasticita pomáha produkovať prakticky všetky strešné kontúry a vytvárať vlastné designy fasády.
• Produkcia stavebných materiálov, farieb, gumy, plastov, papiera a potravinárskych prísad je ťažké si predstaviť bez zlúčenín titánu. Sú v dopyte v oblasti elektrotechniky, môžu byť nájdené v zložení skla a žiaruvzdorných keramických dielov, vrtných plošín, móla, ktorí pracujú v extrémnych morského prostredia a budov domácich počítačov.

Rozsah titánu sa neustále rozširuje, je obmedzený zložitosťou a energetickou náročnosťou procesu získavania čistej látky. Čiastočne kvôli tomu tradičné železa a hliníka sú stále pevne drží pozície. Titán je drahý darček. Cena kovu vo forme koncentrátu je stokrát nižšia ako cena hotových výrobkov, napríklad plechu. Dnes takéto výdavky nie sú k dispozícii všetkým, preto používanie titánu určuje úroveň hospodárskeho rozvoja a obrannú kapacitu štátu.